WO2015176150A1 - Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 120 graus - Google Patents

Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 120 graus Download PDF

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photonic crystal
dimensional photonic
key based
electromagnetic signal
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Gianni Masaki Tanaka PORTELA
Raphael Rafsandjani BATISTA
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Universidade Federal Do Pará – Ufpa
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Definitions

  • the present invention relates to a compact optical key based on a 120 degree bending two-dimensional photonic crystal. In integrated optical systems, it can be used mainly to control the propagation of an electromagnetic signal along a channel, allowing or interrupting its passage (switching function).
  • Photonic crystals are structures in which periodic modulation of the electrical permittivity or magnetic permeability of the constituent materials occurs. This periodicity is related to the origin of a forbidden frequency band in the band diagram of these structures, also known as photonic band gap.
  • Electromagnetic waves often in this range cannot propagate along the crystal and are fully reflected by it.
  • the creation of defects in the periodic crystal structure, in line with the existence of the photonic band gap, is associated with the working principle of most photonic crystal based devices.
  • switches play a key role. They have two operating states, which are: the off state, where there is a high isolation between the input and output ports of the switch, with consequent impediment to the transmission of an electromagnetic signal; On, in which an electromagnetic signal is transmitted from the input to the output port, with low insertion losses.
  • the transition between the two states of operation on photonic crystal based switches is controlled by modifying some
  • the switch referred to in CN101571657 is based on a two-dimensional photonic crystal composed of a triangular network of holes inserted into a material with nonlinear properties. Defects in the crystal structure give rise to two waveguides (in and out) and a resonant cavity.
  • the refractive index of the material in question can be modified from the incidence of an optical control signal, a phenomenon known as the Kerr effect. The state the switch is in (on or off) depends on the strength of this control signal.
  • the switch described in US2005249455 is based on an optical waveguide whose core is formed by a two-dimensional photonic crystal.
  • the refractive index of the materials that make up the crystal can be modified by injecting a light signal or by applying an electric current between two electrodes present in the structure.
  • the transition between the operating states of the device is controlled by adjusting the refractive index value of the materials that make up the photonic crystal in question.
  • JP2003215646 Between two optical waveguides is inserted an element responsible for the switching (transition between states). This element is based on a two-dimensional photonic crystal and a pair of electrodes. The state in which the switch operates (on or off) is determined by the value of the refractive index of the materials that make up the crystal, which in turn is dependent on the value of an electrical voltage applied between the electrodes.
  • the optical key referred to in JP2006184618 is based on a two-dimensional photonic crystal composed of a material whose refractive index varies with temperature. The control of
  • the temperature the crystal is in is responsible for determining the state the key is in (on or off).
  • the present invention is based on a two-dimensional photonic crystal composed of a triangular network of holes inserted in a magneto-optical material.
  • the two operating states of the switch are defined by the value of the magnetizing magnetic field of the magneto-optical material, which in turn is equal to 0 in the off state and equal to H 0 in the on state,
  • Typical waveguides in the optical frequency range are optical fibers.
  • the bending angle to which an optical fiber may be subjected is very restricted, which is one of the main difficulties to be circumvented in fiber optic based circuits.
  • Their operation is based on the principle of total internal reflection and therefore cannot be sharply bent, which compromises their use in circuits that require sudden changes in the direction of propagation of electromagnetic signals.
  • Photonic crystal-based waveguides are generally constructed from the insertion of linear defects in the crystal structure. Because of the photonic band gap associated with the crystal structure adjacent to the defect, electromagnetic signals often within this range are confined within the linear defect and propagate along it.
  • the switch referred to in this report incorporates, in its structure, a 120 degree bending of the propagation direction of an electromagnetic signal, providing greater flexibility in system design.
  • the magnetization circuit of the structure is simplified given the fact that the device operates with uniform magnetization in the on state. Because of this, an electromagnet can be used to fulfill this function.
  • the intensity of the magnetic field generated by the electromagnet is proportional! to the intensity of an electric current running through it.
  • the switch in question is composed of a two-dimensional photonic crystal, based on a triangular network of holes inserted into a material with magneto-optical properties.
  • the crystal structure two types of defects are inserted, namely:
  • the key can be in two states, namely:
  • the switch has the following characteristics:
  • ⁇ is the electrical permittivity of the material (in Farads per meter);
  • ⁇ 0 is the electrical permittivity of free space (in Farads per meter);
  • ⁇ 0 is the free space magnetic permeability (in Henrys per meter);
  • gr is a parameter dependent on the intensity of the applied external DC magnetic field.
  • FIGS 1a and 1b show, in simplified form, the key operating in the on and off states, respectively.
  • Figures 2a and 2b show the eigenvectors V and V 2 , respectively, which are associated with two of the six dipole modes in the unmagnetized resonator, with resonant frequency ⁇ 0 .
  • Figure 2c shows the V + and V " modes on the unmagnetized resonator, which rotate in opposite directions and have the same resonant frequency ⁇ 0.
  • Figure 2d shows the V m + and V m " modes on the magnetized resonator, which rotate in opposite directions and have resonant frequencies ⁇ + and ⁇ ' , respectively.
  • Figure 3 shows a top view of the device operating in the on state.
  • the photonic crystal on which the device is based, the rectilinear waveguides 301 and 302 (input and output, respectively), the resonant cavity on which the dipole modes and the component are excited are presented.
  • Figure 5 shows the transmission curves of the switch operating in the on and off states.
  • [051 J V modes may be combined in such a way that degenerate rotary dipole modes V " and V + are produced, with resonant frequency ⁇ 0 and rotation in opposite directions ( Figure 2c).
  • connection of the two waveguides to the resonant cavity is also responsible for removing degeneration from dipole modes.
  • the off state is obtained when the device is not subjected to the application of an external DC magnetic field ( Figure 4).
  • a stationary dipole mode resulting from the combination of V 1 modes is excited in the resonant cavity.
  • the resulting mode has nodes aligned with the device's output waveguide, preventing signal transfer from input to output.
  • the transmission curves in the two operating states are shown in Figure 5.
  • the operating bandwidth at the levels of -2 dB of the insertion loss curve (transmission coefficient in on state) and -1 5 dB of isolation curve (transmission coefficient in the off state) is 146 GHz.
  • the present invention relates to a compact optical key based on a 60 degree bending two-dimensional photonic crystal. It is basically intended to control the propagation of an electromagnetic signal along an optical communications channel, allowing or blocking its passage (keying function).
  • switches are used in optical systems. They have two operating states, namely, on state, where the transmission of an electromagnetic signal along the device, with low insertion losses between the input and output ports of the device; off state, where signal propagation is prevented, with high isolation between input and output ports.
  • the transition between these two operating states is determined by modifying some parameter characteristic of the photonic crystal on which the switch is based, due to the adjustment of some external variable to the structure.
  • the variation in the intensity of an optical control signal is responsible for the change in refractive index of the material on which the switch is based.
  • This phenomenon known as the Kerr effect.
  • the switch is constructed on a two-dimensional photonic crystal with triangular mesh of holes, filled with air and made of material with nonlinear properties in question. Defects that give rise to waveguides and resonant cavity are clearly inserted into the crystal.
  • the switch described in US2005249455 is based on an optical waveguide, whose core is formed by a two-dimensional photonic crystal in which two or more materials, with different refractive indices, are periodically distributed. in space.
  • the injection of a light signal or an electric current between electrodes present in the structure is responsible for modifying the refractive index of the materials that make up the crystal and, consequently, for the state in which the switch operates (on or off).
  • a switching element is inserted (transition between on and off states).
  • This element is based on a two-dimensional photonic crystal and a pair of electrodes.
  • the transition between device operating states is controlled by the value of an electrical voltage applied between the two electrodes. Depending on the value of the applied voltage, the device may either allow (on state) or interrupt (off state) the passage of an electromagnetic signal from the input to the output waveguide.
  • the switch to which JP2006184618 refers is based on a two-dimensional photonic crystal in which the refractive index of its constituent materials varies with temperature. Device temperature control is responsible for setting the state the switch is in (on or off).
  • the present invention is based on a two-dimensional photonic crystal composed of a triangular network of holes made of a magneto-optical material whose electrical permittivity depends on the intensity of an applied external DC magnetic field.
  • the switch When the material is unmagnetized (external magnetic field equals 0), the switch operates in the off state. On the other hand, when it is magnetized (external magnetic field equal to H 0 ), the device operates in the on state.
  • photonic crystal-based waveguides overcomes this difficulty because, with the correct choice of the topology of curves incorporated into them, they can promote the change of propagation direction of an electromagnetic signal. This is because the principle of operation of these guides is not based on the principle of total internal reflection, as in the case of optical fibers, but on the existence of the photonic band gap.
  • the electromagnetic signal is confined within the linear defect that originated the guide and is prevented from propagating outside the guide due to the photonic band gap associated with the periodic structure surrounding it.
  • the device presented here incorporates in its structure a 60 degree bend, which provides greater flexibility in the design of integrated optical circuits. In addition, it has small dimensions, which favors the increase in integration density.
  • the switch in question operates with uniform magnetization, which simplifies the development of the magnetization circuit, since a simple electromagnet can be used to perform this function.
  • the magnitude of the generated magnetic field is delivers! to the intensity of an electric current running through the electromagnet.
  • the device is based on a two-dimensional photonic crystal composed of a triangular network of holes inserted into a magneto-optical material.
  • this crystal two types of defects are inserted, namely:
  • the key can be in two states, namely:
  • the device has the following characteristics: [025] a) The crystal constant of (a) is 480 nanometers;
  • ⁇ is the electrical permittivity of the material (in Farads per meter);
  • ⁇ 0 is the electrical permittivity of free space (in Farads per meter); [038] c) ⁇ is the magnetic permeability of the material (in Henrys per meter);
  • ⁇ 0 is the free space magnetic permeability (in Henrys per meter);
  • gr is a parameter dependent on the intensity of the applied external DC magnetic field.
  • Figures 1a and 1b show schematically the switch operating in the modes on and off respectively.
  • Figures 2a and 2b show the eigenvectors Vi and V 2 , which correspond to two of the six dipole modes that exist in the unmagnetized resonator, with resonant frequency ⁇ 0 .
  • Figure 2c shows two rotating modes V and V + of the unmagnetized resonator, which rotate in opposite directions and have the same resonant frequency ⁇ 0 .
  • Figure 2d shows two rotating modes V m + and M m of the magnetized resonator, which rotate in opposite directions and have resonant frequencies re ⁇ " , respectively.
  • Figure 3 shows a section of the device operating in the on state.
  • Figure 4 shows a section of the device operating in the off state.
  • Figure 5 shows the frequency response of the switch operating in the on and off states.
  • an electromagnetic signal applied to the input guide 101 excites a rotating dipole mode 103 in the magnetoptic resonator. instead, it causes the signal present at the input to be transferred to the output guide 102, with low insertion losses, corresponding to the on state of the device.
  • the value of parameter g, which is proportional to the magnitude of H 0 is 0.3.

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Abstract

A presente invenção é baseada em um cristal fotônico bidimensional onde são inseridos defeitos que originam dois guias de onda e uma cavidade ressonante. Um sinal eletromagnético que atravessa o dispositivo é confinado no interior dos defeitos, por conta do photonic band gap associado à estrutura periódica que os circunda. Possui como principal função o controle do fluxo de um sinal eletromagnético ao longo de um cana! de comunicações, bloqueando (estado desligado) ou admitindo (estado ligado) a passagem do mesmo. Também promove a alteração da direção de propagação de um sinal eletromagnético por um ângulo de 120 graus, proporcionando maior flexibilidade no design de sistemas ópticos integrados. O princípio de funcionamento do dispositivo baseia-se na excitação de modos dipolo na cavidade ressonante do mesmo, segundo a aplicação de um campo magnético externo DC sobre o material magneto-óptíco que o constitui. Nos estados ligado e desligado o material magneto-óptico está magnetizado e não magnetizado, respectivamente.

Description

[001 J A presente invenção refere-se a uma chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 120 graus. Em sistemas ópticos integrados, pode ser utilizada, principalmente, no controle da propagação de um sinal eletromagnético ao longo de um canal, permitindo ou interrompendo a passagem do mesmo (função de chaveamento).
[002] O desenvolvimento de novos dispositivos baseados em cristais fotonicos é alavancado pela necessidade de dispositivos com dimensões cada vez menores, de modo que maiores níveis de densidade de integração de componentes em sistemas ópticos integrados sejam alcançados.
[003] Cristais fotonicos são estruturas em que ocorre a modulação periódica da permissividade elétrica ou da permeabilidade magnética dos materiais que os constituem. Esta periodicidade está relacionada à origem de uma faixa de frequências proibida no diagrama de banda destas estruturas, também conhecida como photonic band gap.
[004] Ondas eletromagnéticas com frequência situada nesta faixa não podem se propagar ao longo do cristal, sendo totalmente refletidas pelo mesmo. A criação de defeitos na estrutura periódica do cristal, em consonância com a existência do photonic band gap, está associada ao princípio de funcionamento da maior parte dos dispositivos baseados em cristais fotonicos.
[005] Entre os diversos dispositivos utilizados em sistemas ópticos integrados, as chaves (em inglês, switches) desempenham papel fundamental. Elas possuem dois estados de funcionamento, que são: estado desligado (em inglês, of ), em que há uma alta isolaçâo entre as portas de entrada e saída da chave, com consequente impedimento da transmissão de um sinal eletromagnético; estado ligado (em inglês, on), em que ocorre a transmissão de um sinal eletromagnético da porta de entrada para a de saída, com baixas perdas de inserção. A transição entre os dois estados de operação em chaves baseadas em cristais fotonicos é controlada pela modificação de algum
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) parâmetro característico do cristal, segundo o controle de alguma variável externa à estrutura.
[006] O desenvolvimento de novas chaves ópticas baseadas em cristais fotônico tem sido abordado em vários relatórios descritivos de patentes de invenção, dentre os quais se destacam os descritos a seguir.
[007] O switch a que se refere a patente CN101571657 é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos inseridos em um material com propriedades não lineares. Defeitos na estrutura cristalina dão origem a dois guias de onda (entrada e saída) e a uma cavidade ressonante. O índice de refração do material em questão pode ser modificado a partir da incidência de um sinal de controle óptico, fenómeno este conhecido como efeito Kerr. O estado em que a chave se encontra (ligado ou desligado) depende da intensidade deste sinal de controle.
[008] Já o switch descrito na patente US2005249455 é baseado em um guia de onda óptico cujo núcleo é formado por um cristal fotônico bidimensional. O índice de refração dos materiais que compõem o cristal pode ser modificado a partir da injeção de um sinal luminoso ou da aplicação de uma corrente elétrica entre dois eletrodos presentes na estrutura. A transição entre os estados de operação do dispositivo é controlada pelo ajuste do valor do índice de refração dos materiais que compõem o cristal fotônico em questão.
[009] Outro dispositivo que merece atenção é o descrito na patente JP2003215646. Entre dois guias de onda ópticos é inserido um elemento responsável pelo chaveamento (transição entre os estados). Este elemento é baseado em um cristal fotônico bidimensional e um par de eletrodos. O estado em que o switch opera (on ou off) é determinado pelo valor do índice de refração dos materiais que compõem o cristal, que por sua vez é dependente do valor de uma tensão elétrica aplicada entre os eletrodos.
[010] Por outro lado, a chave óptica a que se refere a patente JP2006184618 é baseada em um cristal fotônico bidimensional composto por um material cujo índice de refração varia de acordo com a temperatura. O controle da
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) temperatura em que o cristal se encontra é responsável por determinar o estado em que a chave se encontra (ligado ou desligado).
[01 1 ] Portanto, vários são os modos de se controlar a transição entre os estado de uma chave óptica baseada em cristais fotônicos. A presente invenção é baseada em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos inseridos em um material magneto-óptico. Os dois estados de operação da chave são definidos pelo valor do campo magnético de magnetização do material magneto-óptico, que por sua vez é igual a 0 no estado desligado e igual a H0 no estado ligado,
[012] Guias de onda típicos na faixa de frequências ópticas são as fibras ópticas. O ângulo de dobramento a que pode ser submetida uma fibra óptica é muito restrito, sendo esta uma das principais dificuldades a serem contornadas em circuitos baseados em fibras ópticas. O funcionamento das mesmas é baseado no princípio da reflexão interna total e, por conta disso, não podem ser dobradas de modo acentuado, o que compromete a sua utilização em circuitos que exigem mudanças bruscas na direção de propagação de sinais eletromagnéticos.
[013] Esta dificuldade pode ser superada com a utilização de guias de onda ópticos baseados na tecnologia de cristais fotônicos. Nestes guias, a escolha correta da topologia de curvas a eles associadas pode promover a mudança de direção de propagação de um sinal eletromagnético. Isto ocorre porque estes dispositivos são baseados na existência do photonic band gap, diferentemente das fibras ópticas, que se baseiam no princípio da reflexão interna total.
[014] Os guias de onda baseados em cristais fotônicos são construídos, de um modo geral, a partir da inserção de defeitos lineares na estrutura cristalina. Por conta do photonic band gap associado à estrutura cristalina vizinha ao defeito, sinais eletromagnéticos com frequência dentro desta faixa ficam confinados no interior do defeito linear, propagando-se ao longo do mesmo.
[015] O switch a que se refere este relatório incorpora, em sua estrutura, um dobramento de 120 graus da direção de propagação de um sinal eletromagnético, proporcionando maior flexibilidade no design de sistemas
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) ópticos integrados. Além disso, por ter dimensões reduzidas, favorece o aumento da densidade de integração de componentes nestes sistemas.
[016] O circuito de magnetização da estrutura é simplificado, haja vista o fato de o dispositivo operar com magnetização uniforme no estado on. Por conta disto, um eletroimã pode ser usado para o cumprimento desta função. A intensidade do campo magnético gerado pelo eletroimã é proporciona! à intensidade de uma corrente elétrica que o atravessa.
[017] Entre as características de desempenho do dispositivo em questão, merecem destaque a alta isolação entre as portas de entrada e saída no estado off, as baixas perdas de inserção no estado on e a grande largura de banda de operação.
[018] De modo geral, o switch em questão é composto por um cristal fotônico bidimensional, baseado em uma rede triangular de furos inseridos em um material com propriedades magneto-ópticas. Na estrutura cristalina, são inseridos dois tipos de defeitos, a saber:
[019] a) Defeitos lineares: correspondem à remoção de furos em linha reta, que originam os guias de onda do dispositivo;
[020] b) Defeitos locais: correspondem à modificação do raio e da posição de furos localizados no centro do dispositivo, que originam a cavidade ressonante do dispositivo.
[021 ] Considerando a aplicação de um campo magnético no ressoador magneto-óptico, a chave pode estar em dois estados, a saber:
[022] a) Caso em que o material magneto-óptico não está magnetizado, onde não há transmissão do sinal para o guia de onda de saída;
[023] b) Caso em que o material magneto-óptico está magnetizado, onde ocorre a transmissão do sinal para o guia de onda de saída.
[024] De modo específico, o switch apresenta as seguintes características:
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) [025] a) A constante de rede do crista! fotônico (a) depende do comprimento de onda de operação (λ), ou frequência central da banda de frequências de operação do dispositivo. Para λ igual a 1 ,55 micrômetros, o valor de a é igual a 480 nanômetros;
[026] b) O raio dos furos inseridos no material magneto-óptico, que dão origem ao cristal, é igual a 0,3a;
[027] c) Os guias de onda de entrada e salda são criados a partir da inserção de dois defeitos lineares no cristal fotônico;
[028] d) A cavidade ressonante é criada a partir da inserção de defeitos locais no centro do dispositivo, entre os guias de onda de entrada e saída;
[029] e) Um sina! eletromagnético transferido da entrada para a saída do switch tem a sua direção de propagação alterada por um ângulo de 1 20 graus;
[030] f) O estado de operação (on ou off) em que o dispositivo se encontra depende da aplicação de um campo magnético externo DC sobre o matéria! magneto-óptico;
[031 ] g) No estado off, o campo magnético externo DC aplicado é igua! a 0 e um sinal eletromagnético aplicado no guia de onda de entrada excita um modo dipolo estacionário na cavidade ressonante, de modo que os nós do modo ficam alinhados com o guia de onda de saída e, consequentemente, não há transferência do sina! da entrada para a saída;
[032] h) No estado on, o campo magnético externo DC aplicado é igual a H0 e um sinal eletromagnético aplicado no guia de onda de entrada excita um modo dipolo girante na cavidade ressonante, com consequente transferência do sina! da entrada para a saída;
[033] i) O material magneto-óptico no qual é baseado o dispositivo é anísotrópico. A permissividade elétrica e a permeabilidade magnética do material são descritas pelas seguintes expressões:
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) ,25 -ig o
ig 6,25 0 ; μ - μ,
0 0 6,25
035] Onde:
[036] a) ε é a permissividade eléírica do material (em Farads por metro);
[037J b) ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro);
[038] c) μ é a permeabilidade magnética do material (em Henrys por metro);
[039] d) μ0 é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);
[040] e) / é a unidade imaginária;
[041 ] f) gr é um parâmetro dependente da intensidade do campo magnético externo DC aplicado.
[042] São apresentadas, a seguir, as figuras que ilustram o funcionamento do dispositivo, bem como é descrita, de modo detalhado, a chave desenvolvida.
[043] As figuras 1 a e 1 b apresentam, de modo simplificado, a chave operando nos estados on e off, respectivamente.
[044] As figuras 2a e 2b apresentam os autovetores V e V2, respectivamente, que estão associados a dois dos seis modos dipolo existentes no ressoador não magnetizado, com frequência de ressonância ω0. A figura 2c apresenta os modos V+ e V" existentes no ressoador não magnetizado, que giram em sentidos opostos e possuem a mesma frequência de ressonância ω0. A figura 2d apresenta os modos Vm + e Vm " existentes no ressoador magnetizado, que giram em sentidos opostos e possuem frequências de ressonância ω+ e ω', respectivamente.
[045] A figura 3 mostra uma visão superior do dispositivo operando no estado on. São apresentados o cristal fotônico em que é baseado o dispositivo, os guias de onda retilíneos 301 e 302 (entrada e saída, respectivamente), a cavidade ressonante em que são excitados os modos dipolo e a componente
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) Hz do sina! eletromagnético, transferido da entrada para a saída, na frequência central normalizada o a/2nc = 0,30235, onde: ω é a frequência angular (em radianos por segundo); a é a constante de rede do cristal (em metros); c é a velocidade da luz no espaço livre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo).
[046] A figura 4 mostra uma visão superior do dispositivo operando no estado off. São mostrados o cristal fotônico em que são inseridos a cavidade ressonante e os guias de onda 401 (entrada) e 402 (saída), além da componente Hz do sinal eletromagnético, que é refletido de volta para a entrada, na frequência central normalizada oja/2nc ^ 0,30235.
[047] A figura 5 apresenta as curvas de transmissão do switch operando nos estados on e off.
[048] Quando o switch está sujeito à aplicação de um campo magnético externo DC H0 (figura 1 a), um sinal eletromagnético presente no guia de onda de entrada 101 excita, na cavidade ressonante, um modo dipolo girante 103. Este modo faz com que seja transferido, para o guia de onda de saída 102, o sinal incidente. Este é o estado on e, neste caso, o valor do parâmetro g é igual a 0,26.
[049] Por outro lado, considerando o caso em que o switch não está sujeito à aplicação de um campo magnético externo DC (figura 1 b), um sina! eletromagnético incidente no guia de onda de entrada 104 excita, na cavidade ressonante, um modo dipolo estacionário 106, cujos nós alinham-se com o guia de onda de saída 105. Neste caso, o sina! incidente é totalmente refletido de volta para a entrada, não havendo a transmissão do mesmo. Este é o estado off e o valor do parâmetro g é igual a 0.
[050] A análise do comportamento do ressoador magneto-óptico sem cargas, isto é, sem a conexão dos guias de onda de entrada e de saída, permite a compreensão do comportamento do dispositivo nos dois estados de operação. No caso não magnetizado, existem seis modos dipolo estacionários V, (i = 1 , 2, 6), com frequência de ressonância ω0. Os modos Vi e V2 estão representados nas figuras 2a e 2b, respectivamente. Os demais modos V,
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) podem ser obtidos a partir de rotações dos dois primeiros por 60 e 120 graus em relação ao eixo z.
[051 J Os modos V, podem ser combinados de tal sorte que sejam produzidos modos dipolo girantes degenerados V" e V+, com frequência de ressonância ω0 e rotação em sentidos opostos (figura 2c).
[052] A aplicação de um campo magnético externo DC H0 sobre o material magneto-óptico em que se baseia a cavidade ressonante, orientado ao longo do eixo z, faz com que seja removida a degenerescência dos modos V" e V+, ou seja, os mesmos passam a ter frequência de ressonância distintas ω" e ω÷. Esta situação é representada na figura 2d, onde os modos Vm " e V!71 +, originados a partir de V" e V+, são não degenerados.
[053J A conexão dos dois guias de onda à cavidade ressonante, nos casos não magnetizado e magnetizado, também é responsável por remover a degenerescência dos modos dipolo. Quanto maior o acoplamento entre a cavidade e os guias, maior a diferença entre as frequências de ressonância dos modos antes degenerados.
[054J O estado on é obtido quando o dispositivo está sujeito à aplicação de um campo magnético externo DC H0 (figura 3). Nesta situação, é excitado na cavidade ressonante um dos dois modos dipolo girantes Vm " ou Vm +, tomando possível a transferência do sinal da entrada para a saída.
[055J Por sua vez, o estado off ê obtido quando o dispositivo não está sujeito à aplicação de um campo magnético externo DC (figura 4). Neste caso, é excitado na cavidade ressonante um modo dipolo estacionário resultante da combinação entre os modos V,. O modo resultante tem os nós alinhados com o guia de onda de saída do dispositivo, impedindo a transferência do sinal da entrada para a saída.
[056J As curvas de transmissão nos dois estados de operação são mostradas na figura 5. A largura de banda de operação, nos níveis de -2 dB da curva das perdas de inserção (coeficiente de transmissão no estado on) e -1 5 dB da curva de isolação (coeficiente de transmissão no estado off), é de 146 GHz. Na
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) frequência centra! normalizada u)a/2wc = 0,30235, as perdas de inserção são de -1 ,5 dB e a isolação entre as portas de entrada e de saída é de -53 dB.
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6) [001 J A invenção apresentada reíere-se a uma chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 60 graus. Destina-se, basicamente, ao controle da propagação de um sinal eletromagnético ao longo de um canal de comunicações ópticas, permitindo ou bloqueando a passagem do mesmo (função de cbaveamento).
[002] A necessidade por dispositivos com dimensões cada vez menores, de modo a atender os requisitos de maior densidade de integração nos novos sistemas de comunicações ópticas, tem motivado o desenvolvimento de novas tecnologias, dentre as quais se destaca aquela baseada em estruturas conhecidas como "cristais fotônicos".
[003] Nestes cristais, ocorre a modulação periódica da permissividade elétrica ou da permeabilidade magnética dos diferentes materiais que os constituem. Como consequência, uma faixa de frequências proibida, conhecida como photonic band gap, tem origem no diagrama de bandas característico destas estruturas.
[004] Â propagação de ondas eletromagnéticas com frequência situada nesta faixa é proibida porque, ao incidirem no cristal, são totalmente refletidas. O princípio de funcionamento da maior parte dos dispositivos baseados em cristais fotônicos está associado, de alguma maneira, à existência deste fenómeno.
[005] Entre os vários dispositivos que são utilizados em sistemas ópticos, destacam-se as chaves (em inglês, switches), Elas possuem dois estados de funcionamento, a saber: estado ligado (em inglês, on), onde ocorre a transmissão de um sinal eletromagnético ao longo do dispositivo, com baixas perdas de inserção entre as portas de entrada e saída do dispositivo; estado desligado (em inglês, off), onde há o impedimento da propagação do sinal, com alta isolação entre as portas de entrada e saída. A transição entre estes dois estados de operação é determinada pela modificação de algum parâmetro característico do cristal fotônico em que se baseia o switch, decorrente do ajuste de alguma variável externa à estrutura.
[006] Com o avanço nas pesquisas referentes ao desenvolvimento de novos dispositivos baseados em cristais fotônicos, várias patentes tratando de chaves ópticas baseadas nestas estruturas já foram depositadas.
[007] Por exemplo, no dispositivo a que se refere a patente CN101571657, a variação da intensidade de um sinal de controle óptico é responsável pela mudança no índice de refração do material no qual é baseado o switch, Este fenómeno, conhecido como efeito Kerr, está associado à transição entre os estados on e off do dispositivo. O switch é construído sobre um cristal fotônico bidimensional com rede triangular de furos, preenchidos com ar e feitos no material com propriedades não lineares em questão. No cristal são inseridos, de modo bem definido, defeitos que dão origem aos guias de onda e à cavidade ressonante.
[008] Por outro lado, o switch descrito na patente US2005249455 baseia-se em um guia de onda óptico, cujo núcleo é formado por um cristal fotônico bidimensional em que dois ou mais materiais, com diferentes índices de refração, são distribuídos de modo periódico no espaço. A injeção de um sinal luminoso ou de uma corrente elétrica entre eletrodos presentes na estrutura é responsável pela modificação do índice de refração dos materiais que compõem o cristal e, consequentemente, pelo estado em que o switch opera (ligado ou desligado).
[009] Merece destaque também o switch descrito pela patente JP2003215646. Neste caso, entre dois guias de onda ópticos, é inserido um elemento responsável pelo chaveamento (transição entre os estados on e off). Este elemento é baseado em um cristal fotônico bidimensional e um par de eletrodos. A transição entre os estados de operação do dispositivo é controlada pelo valor de uma tensão elétrica aplicada entre os dois eletrodos. Dependendo do valor da tensão aplicada, o dispositivo pode tanto permitir (estado on) como interromper (estado off) a passagem de um sinal eletromagnético do guia de onda de entrada para o de saída. [010] Já o switch a que faz referência a patente JP2006184618 é baseado em um cristal fotônico bidimensional em que o índice de refração dos materiais que o constituem varia de acordo com a temperatura. O controle da temperatura do dispositivo é responsável por definir o estado em que o switch se encontra (ligado ou desligado).
[01 1 ] Várias são as formas de controlar a transição entre os modos de operação em um switch baseado na tecnologia de cristais fotônicos. A presente invenção é baseada em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos feitos em um material magneto-óptico, cuja permissividade elétrica depende da intensidade de um campo magnético externo DC aplicado. Quando o material está não magnetizado (campo magnético externo igual a 0), o switch opera no estado off. Por outro lado, quando o mesmo está magnetizado (campo magnético externo igual a H0), o dispositivo opera no estado on.
[012] Um dos grandes problemas que é inerente à tecnologia de fibras ópticas diz respeito ao ângulo de dobramento das mesmas. Funcionam segundo o princípio da reflexão interna total e, por conta disto, não podem ser dobradas de modo acentuado, o que dificulta a sua utilização, por exemplo, em circuitos ópticos que exigem muitas mudanças de direção na propagação dos sinais ópticos.
[013] A utilização de guias de onda baseados em cristais fotônicos supera essa dificuldade porque, com a escolha correta da topologia de curvas a eles incorporadas, podem promover a mudança de direção de propagação de um sinal eletromagnético. Isso ocorre porque o princípio de funcionamento destes guias não é baseado no princípio da reflexão interna total, como no caso das fibras ópticas, mas sim na existência do photonic band gap.
[014] Neste caso, o sinal eletromagnético fica confinado no interior do defeito linear que originou o guia, sendo impedido de se propagar para fora do mesmo, por conta do photonic band gap associado à estrutura periódica que está ao redor dele. [015] O dispositivo aqui apresentado incorpora, em sua estrutura, um dobramento de 60 graus, o que proporciona maior flexibilidade no design de circuitos ópticos integrados. Além disso, possui dimensões reduzidas, o que favorece o aumento na densidade de integração.
[016] O switch em questão opera com magnetização uniforme, o que simplifica o desenvolvimento do circuito de magnetização, haja vista que um simples eletroímã pode ser utilizado para a realização desta função. Â magnitude do campo magnético gerado é proporciona! à intensidade de uma corrente elétrica que atravessa o eletroímã.
[017] Destacam-se, entre as características de desempenho do dispositivo, a grande largura de banda de operação, as baixas perdas de inserção no estado on e a alta isolação entre os guias de onda de entrada e saída no estado off.
[018] De modo geral, o dispositivo é baseado em um cristal fotônico bidimensional composto por uma rede triangular de furos inseridos em um material magneto-óptico. Neste cristal, são inseridos dois tipos de defeitos, a saber:
[019] a) Remoção de fileiras de furos (defeito linear), que dão origem aos guias de onda de entrada e saída;
[020] b) Alteração do raio e da posição de furos inseridos no material magneto- óptico, que originam a cavidade ressonante do dispositivo.
[021 ] Considerando a aplicação de um campo magnético no ressoador magneto-óptico, a chave pode estar em dois estados, a saber:
[022] a) Caso não magnetizado do material magneto-óptico, em que o sinal não é transmitido para o guia de onda de saída;
[023] b) Caso magnetizado do material magneto-óptico, em que o sinal é transmitido para o guia de onda de saída.
[024] De modo específico, o dispositivo possuí as seguintes características: [025] a) A constante de rede do cristal (a) é igual a 480 nanômetros;
[026J b) O raio dos furos pertencentes à rede cristalina é igual a 0,3a;
[027J c) Os guias de onda de entrada e saída são inseridos através da criação de dois defeitos lineares;
[028] d) Um sina! eletromagnético transferido para a saída tem a sua direção de propagação alterada em 80 graus;
[029] e) A cavidade ressonante é inserida através da alteração do raio e da posição de alguns furos localizados no centro do dispositivo, na fronteira entre os dois guias de onda;
[030] f) A intensidade de um campo magnético externo DC determina o estado em que o dispositivo se encontra;
[031 ] g) No estado off, o campo magnético externo DC é igual a 0 e um modo dipolo estacionário é excitado na cavidade ressonante, de tal sorte que os nós do modo ficam alinhados com o guia de onda de saída e, consequentemente, não há transferência de sinal da entrada para a saída;
[032] h) No estado on, o campo magnético externo DC é igual a H0 e um modo dipolo girante é excitado na cavidade ressonante, proporcionando a transferência do sinal da entrada para a saída;
[033] i) O material magnete-óptico no qual é baseado o cristal fotônico é anisotropico, sendo descrito pelas seguintes expressões para a permissividade eléfrica e a permeabilidade magnética:
Figure imgf000016_0001
[035] Onde:
036] a) ε é a permissividade elétrica do material (em Farads por metro);
037] b) ε0 é a permissividade elétrica do espaço livre (em Farads por metro); [038] c) μ é a permeabilidade magnética do material (em Henrys por metro);
[039J d) μ0 é a permeabilidade magnética do espaço livre (em Henrys por metro);
[040] e) i é a unidade imaginária;
[041 ] f) gr é um parâmetro dependente da intensidade do campo magnético externo DC aplicado.
[042] A seguir, são apresentadas as figuras que ilustram o funcionamento do dispositivo, bem como é descrita, de modo detalhado, a invenção desenvolvida, [043] As figuras 1 a e 1 b apresentam, de forma esquemática, o switch funcionando nos modos on e off, respectivamente.
[044] As figuras 2a e 2b apresentam os autovetores Vi e V2, que correspondem a dois dos seis modos dipolo que existem no ressoador não magnetizado, com frequência de ressonância ω0. A figura 2c apresenta dois modos girantes V e V+ do ressoador não magnetizado, que giram em sentidos opostos e possuem a mesma frequência de ressonância ω0. A figura 2d apresenta dois modos girantes Vm + e Mm do ressoador magnetizado, que giram em sentidos opostos e possuem frequências de ressonância r e ω", respectivamente.
[045] A figura 3 mostra um corte do dispositivo operando no estado on, São mostrados o cristal fotônico, os dois guias de onda retilíneos 301 (entrada) e 302 (saída), a cavidade ressonante e a componente Hz do sinal eletromagnético, transferido da entrada para a saída, na frequência normalizada ωα/2πο = 0,30308, onde ω é a frequência angular (em radianos por segundo); a é a constante de rede do cristal (em metros); c é a velocidade da luz no espaço livre (aproximadamente igual a 300.000.000 metros por segundo).
[046] A figura 4 apresenta um corte do dispositivo operando no estado off. São apresentados o cristal fotônico, os dois guias de onda retilíneos 401 (entrada) e 402 (saída), a cavidade ressonante e a componente Hz do sinal eletromagnético, refletído de volta para a entrada, na frequência normalizada a)a/2nc = 0,30308. [047] A figura 5 apresenta a resposta em frequência do switch operando nos estados on e off.
[048J Quando o dispositivo está sob a influência de um campo magnético externo DC H0 (figura 1 a), um sinal eletromagnético aplicado no guia de entrada 101 excita, no ressoador magneto-óptico, um modo dipolo girante 103. Este, por sua vez, faz com que o sinal presente na entrada seja transferido para o guia de saída 102, com baixas perdas de inserção, correspondendo ao estado on do dispositivo. O valor do parâmetro g, que é proporcional à magnitude de H0, é igual a 0,3.
[049] Por outro lado, quando o campo magnético externo DC é igual a 0 (figura 1 b), um sinal eletromagnético aplicado no guia de entrada 104 excita, na cavidade ressonante, um modo dipolo estacionário 106. Os nós do modo alinham-se com o guia de saída 105, de tal sorte que neste não são excitadas ondas eletromagnéticas. O sinal incidente é totalmente refletido, com alta isolação entre a entrada e a saída. Esta situação corresponde ao estado off e, neste caso, o valor do parâmetro g é igual a 0.
[050] Estes comportamentos podem ser explicados a partir da análise dos modos excitados no ressoador magneto-óptico sem cargas, isto é, sem a conexão dos guias de onda de entrada e saída. No caso não magnetizado, existem seis modos dipolo estacionários V, (i = 1 , 2, 6) com frequência de ressonância ω0, sendo que dois deles estão representados nas figuras 2a (modo V-i) e 2b (modo V2). Os outros modos podem ser obtidos a partir de rotações por 60 ou 120 graus dos modos V-ι e V2 em torno do eixo z.
[051 ] Estes modos podem ser combinados de modo a produzir modos gírantes degenerados V" e V+, com frequência de ressonância ω0 e rotação em sentidos opostos (figura 2c).
[052] A aplicação de um campo magnético externo DC H0, orientado ao longo da direção z, remove a degenerescência de V e V+, fazendo com que os mesmos passem a possuir frequências de ressonância distintas ω" e ω " (modos Vm " e Vm ÷, respectivamente, representados na figura 2d). [053] A inserção dos guias de onda na estrutura, tanto no caso não magnetizado como no magnetizado, também remove a degenerescência dos modos excitados na cavidade ressonante. Quanto maior o acoplamento entre a cavidade e os guias, maior é a diferença entre as frequências dos modos antes degenerados.
[054] O estado on (figura 3) é obtido quando o dispositivo está magnetizado. Neste caso, é utilizado um dos modos girantes Vrr! " ou Vrr! +, representados pela seta arqueada localizada no centro da figura.
[055] Por outro lado, o estado off (figura 4} é obtido quando o dispositivo não está magnetizado. Nesta situação, é utilizado um modo resultante da combinação entre os modos dipolo estacionários V,. O modo resultante possui os nós alinhados com o guia de onda de saída.
[056] A resposta em frequência do dispositivo é apresentada na figura 5. Considerando a excitação na porta 1 (associada aos guias 301 e 401 ), a largura de banda do dispositivo é igual a 186 GHz, referente aos níveis de -2 dB e -15 dB das curvas associadas aos estados on e off, respectivamente. Na frequência central normalizada uja/2nc = 0,30308, as perdas de inserção no estado on são de -0,9 dB e a isolação entre os guias de onda no estado off ê de -54 dB.

Claims

1 . Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 1 20 graus, baseada em um cristal fotônico bidimensional em que são inseridos defeitos, de forma controlada, que originam dois guias de onda e uma cavidade ressonante com material magneto-óptico, caracterizada por controlar o fluxo de um sinal eletromagnético ao longo de um canal de comunicações ópticas, interrompendo ou bloqueando a passagem do mesmo segundo a aplicação de um campo magnético externo DC aplicado.
2. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 1 20 graus de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada por promover a mudança da direção de propagação de um sinal eletromagnético por um ângulo de 1 20 graus, no estado on, proporcionando maior flexibilidade no desenvolvimento de sistemas ópticos integrados.
3. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 120 graus de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada por operar, no estado off (caso não magnetizado), com modos dipolo estacionários cujos nós alinham-se com o guia de onda de saída e, no estado on (caso magnetizado), com modos dipolo girantes.
4. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 120 graus de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada por apresentar, na frequência central normalizada u)a/2nc = 0,30235, perdas de inserção (coeficiente de transmissão no estado on) iguais a -1 ,5 dB e isolação entre as portas de entrada e saída (coeficiente de transmissão no estado off) igual a -53 dB. A largura de banda de operação é igual a 146 GHz, nós níveis de -2 dB e -1 5 dB das curvas de perdas de inserção e isolação, respectivamente.
INCORPORADO POR REFERÊNCIA (REGRA 20.6)
4. Chave óptica compacta baseada em um cristal fotônico bidimensional com dobramento de 60 graus de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que, na frequência central normalizada uja/2nc = 0,30308, as perdas de inserção no estado on são de -0,3 dB e a isolação entre as portas no estado off é de -54 dB, enquanto que a largura de banda, nos níveis de -2 dB da curva das perdas de inserção e -15 dB da curva de isolação, é de 186 GHz.
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